CAP. Nº 5 DISEÑO DE AGUAS LLUVIAS URBANOS

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5 DISEÑO ELEMENTOS URBANOS DE INFRAESTRUCTURA DE AGUAS LLUVIAS

3 5.1 ALCANCES

3 5.1.1 U

SO DE ESTE CAPÍTULO

3 5.2 MARCO

LEGAL

3 5.3 PROBLEMÁTICA

DE

LAS

AGUAS

LLUVIAS

Y

SU

CORRECTO

MANEJO

5 5.3.1 E

XTERNALIDADES

N

EGATIVAS DEL

D

ESARROLLO

U

RBANO

5 5.3.2 C

RITERIOS

G

ENERALES DE

D

ISEÑO

5 5.3.3 D

ESTINO DE LAS

A

GUAS

6 5.3.4 D

IRECTRICES

G

ENERALES PARA UNA

C

ORRECTA

S

OLUCIÓN

6 5.3.4.1 Disminuir la Escorrentía

7 5.3.4.2 Favorecer la Retención

7 5.3.4.3 Usar y Mantener la Red Natural de Drenaje

7 5.3.4.4 Colectores Subterráneos

8 5.4 CARACTERIZACIÓN

HIDROLÓGICA

DE

DISEÑO

8 5.4.1 P

ROPIEDADES DE LAS TORMENTAS

8 5.4.2 R

ELACIONES INTENSIDAD

,

DURACIÓN Y FRECUENCIA

9 5.4.3 T

ORMENTAS DE DISEÑO

11 5.4.4 P

ROPIEDADES DE LAS CUENCAS

13 5.4.4.1 Tiempo de Concentración

13 5.4.4.2 Abstracción y Lluvia Efectiva

16 5.4.4.3 Coeficiente de Escorrentía

17 5.4.4.4 Propiedades de los suelos

20 5.4.5 M

ÉTODOS

20 5.4.5.1 Método Racional

20 5.4.5.2 Método Racional Modificado

21 5.4.5.3 Método del Soil Conservation Service (SCS)

24 5.4.5.4 Método Modelo SWMM

26 5.5 DISEÑO

HIDRÁULICO

DE

OBRAS

27 5.5.1 C

RITERIOS GENERALES DE DISEÑO

27 5.5.2 O

BRAS COMPLEMENTARIAS

28 5.5.2.1 Desconexión de áreas impermeables

28 5.5.2.2 Obras de infiltración

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SERVIU METROPOLITANO

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5.5.3 T

RANSPORTE EN CALLES

32 5.5.3.1 Escurrimiento en vías públicas

32 5.5.3.2 Perfiles transversales de calles y cunetas

33 5.5.3.3 Capacidad hidráulica de calles

36 5.5.3.4 Capacidad de diseño para tormentas menores

36 5.5.3.5 Capacidad máxima

39 5.5.4 S

UMIDEROS

41 5.5.4.1 Tipos de sumidero

42 5.5.4.2 Capacidad máxima de sumideros

43 5.5.4.3 Capacidad de diseño de sumideros

44 5.5.4.4 Ubicación de sumideros

46 5.5.4.5 Intersección de calles

47 5.5.4.6 Cruce Peatonal

49 5.5.4.7 Ciclovías

49 5.5.5 C

OLECTORES

50 5.5.5.1 Colectores subterráneos

50 5.5.5.2 Colectores superficiales

59 5.5.6 P

LANTAS ELEVADORAS

62 5.6 TIPOS

DE

PROYECTOS

Y

SUS

REQUERIMIENTOS

63 5.6.1 R

EQUERIMIENTOS MÍNIMOS DE LOS PROYECTOS

63 5.6.1.1 Memoria Técnica de Aguas Lluvias

63 5.6.1.2 Especificaciones Técnicas de Aguas Lluvias

64 5.6.1.3 Presupuesto, Itemizado

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5 5 DISEÑO ELEMENTOS URBANOS DE INFRAESTRUCTURA DE AGUAS LLUVIAS

El ciclo del agua (evaporación, precipitación, infiltración, escurrimiento) es un proceso natural con la que toda obra de edificación y/o urbanización debe convivir e incluso aprovechar. Las aguas lluvias asociadas a un proyecto o a un sector, no son en sí mismas un problema, sino que es el mal manejo de éstas lo que puede constituir un problema. Este capítulo abordará diversos temas relacionados con la legalidad, el diseño y políticas de diseño, con el fin último de llevar a la práctica el buen manejo de las aguas lluvias en zonas urbanas. De esta forma, poder representar a través de obras hidráulicas, en el mejor de los casos el equilibrio y armonía que ya existen en la naturaleza.

5.1 ALCANCES

Los proyectos de urbanización deben considerar la solución de los problemas que puedan producir las aguas lluvias en la zona a urbanizar, utilizando para ello las obras y elementos técnicos necesarios. Debido a que en las zonas urbanas la solución de este tipo de problemas involucra la participación de varios actores, esta normativa tiene por fin velar porque las soluciones sean coherentes con el entorno, se adecuen a soluciones más generales y eviten conflictos de intereses con terceros. La aplicación de esta norma tiene los siguientes objetivos generales:

• Mantener vigentes en el mediano y largo plazo las soluciones estructurales de drenaje de aguas lluvias y el Plan Maestro elaborado para sectores ya urbanizados.

• Solucionar los problemas generados por las aguas lluvias en los lugares en que éstos se originan, sin traspasarlos hacia aguas arriba o aguas abajo, evitando que se afecte o traspase el problema a terceros.

• Lograr soluciones eficaces con costos razonables de inversión, operación y mantención. • Incorporar las soluciones de los problemas de aguas lluvias de manera armónica con el

proceso de urbanización. 5.1.1 Uso de este capítulo

Todas las definiciones expuestas en este capítulo se aplican a los proyectos de redes secundarias de aguas lluvias desarrollados en cumplimiento de las disposiciones de la Ley 19.525, y es aplicable a sectores urbanos de la Región Metropolitana.

La red secundaria de aguas lluvias está formada por un conjunto de elementos que captan, retienen y conducen las aguas lluvias en la parte inicial de las redes de drenaje urbano, hasta entregarlas a un sistema de recepción adecuado hacia aguas abajo. Este sistema de drenaje se considera red secundaria hasta que pasa a formar parte de la red primaria definida en el Plan Maestro.

5.2 MARCO LEGAL

En lo relacionado a las aguas lluvias y su manejo técnico, participan diversos sectores e instituciones. A continuación, una breve reseña de cada una de esas instituciones y su participación y relevancia:

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• MINVU, Ministerio de Vivienda y Urbanización y SERVIU, Servicio de Vivienda y Urbanismo: La Ley 19.525 dispone que el MINVU se encargará de la planificación, estudio, proyección, construcción, reparación, mantención y mejoramiento de la red secundaria del sistema de evacuación y drenaje de aguas lluvias, actuando a través de los Serviu en las labores de construcción y mantención.

• DOH, Dirección de Obras Hidráulicas: La Ley 19.525 dispuso que la planificación, estudio, proyección, construcción, reparación, mantención y mejoramiento de la red primaria del sistema de evacuación y drenaje de aguas lluvias corresponde al MOP, a través de la DOH.

• DGA, Dirección General de Aguas: El Código de Aguas le confiere, en gran medida, las atribuciones de normar, controlar y fiscalizar los derechos de aprovechamiento de aguas, la construcción de obras de regadío, drenaje y el control de cauces y riberas.

• Municipalidades, DOM: En relación con los proyectos de aguas lluvias en particular, les corresponde fiscalizar el cumplimiento de las regulaciones contenidas en la LGUC y OGUC aplicables, tanto a la red domiciliaria, como a la red secundaria.

• Empresas Sanitarias: El manejo de las aguas lluvias, por regla general, no entrarían en su ámbito de funciones, salvo en zonas dotadas de redes unitarias, que evacuan simultáneamente aguas servidas y aguas lluvias.

Es importante que el proyectista considere las recomendaciones de otros instructivos de diseño y ordenamiento territorial, tales como:

• Ley 19.525 de Aguas Lluvias

• Guía de Diseño de Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos del MINVU.

• Plan Maestro de Aguas Lluvias del Gran Santiago • Manual de Drenaje Urbano, DOH.

• Código de Agua.

• Plan Regulador Metropolitano de Santiago. • Planes Reguladores Comunales Seccionales • Ordenanzas Municipales

• Ley y Ordenanza General de Urbanismo y Construcciones • Manual de Vialidad Urbana

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5.3 PROBLEMÁTICA DE LAS AGUAS LLUVIAS Y SU CORRECTO MANEJO 5.3.1 Externalidades Negativas del Desarrollo Urbano

La urbanización produce una alteración importante del uso del suelo. Algunos de estos cambios son la aparición de nuevas superficies como techos y pavimentos, además de innumerables cauces artificiales como calles y cunetas. Asociado al desarrollo, se incrementa además una serie de actividades como el tráfico vehicular, el comercio y los procesos industriales.

Este nuevo uso del suelo produce un cambio significativo en las condiciones naturales, y en particular en el ciclo del agua y las características hidrológicas y ambientales. Algunos de éstos son la disminución de la infiltración, la disminución de la capacidad de retención, la creación de nuevos cauces de escurrimiento y la aparición de nuevos contaminantes depositados sobre las superficies urbanas asociados a la actividad humana y disponibles para ser arrastrados por el agua.

Los cambios en el comportamiento de las aguas lluvias urbanas que producen las nuevas urbanizaciones generan externalidades negativas hacia aguas abajo. Estas externalidades generalmente no están consideradas en el diseño y la operación del sistema de drenaje de la cuenca inferior, y por lo tanto se ponen en evidencia cada vez que ocurren precipitaciones de cierta magnitud. Entre las externalidades negativas más recurrentes en las ciudades se encuentran:

• Aumento en la frecuencia e intensidad de las inundaciones. • Mayores aportes de agua sobre urbanizaciones ya consolidadas.

• Obsolescencia del sistema de drenaje de aguas abajo a medida que se desarrolla la zona superior.

• Deterioro de los cauces receptores con erosión y sedimentación excesiva. • Aumento de la carga contaminante en los sistemas naturales de drenaje.

Todos estos efectos si no son abordados convenientemente en la misma urbanización que los genera producirán problemas hacia aguas abajo.

5.3.2 Criterios Generales de Diseño

El proyectista debe considerar algunos criterios básicos que orientan las soluciones de drenaje de aguas lluvias de la zona a urbanizar. En la Región Metropolitana los proyectos deben satisfacer al menos los siguientes:

• Respetar el sistema general de drenaje y la capacidad de los colectores propuestos en el Plan Maestro de Aguas Lluvias.

• Evitar la inundación de calles y bienes para períodos de retorno preestablecidos en las condiciones de diseño.

• Evitar que para condiciones de lluvias importantes se genere riesgo para las personas o se produzcan daños a terceros, a la propiedad pública o privada, o pérdidas de bienes. • Si se trata de una urbanización nueva de terrenos que no estaban urbanizados, la

urbanización no debe generar mayores caudales máximos que los que se producían antes de urbanizar para las lluvias de diseño.

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• El criterio anterior también podrá aplicarse a proyectos de remodelación de zonas urbanas extensas, o grandes proyectos industriales, comerciales o institucionales en zonas ya urbanizadas.

• Respetar el sistema de drenaje natural de la zona, el trazado de las quebradas y cauces naturales que existan. En lo posible incorporarlo a las áreas verdes para ser utilizado como drenaje del lugar, minimizando los impactos de la urbanización sobre el sistema natural de la cuenca hacia aguas abajo.

• Abordar la solución de los problemas de calidad de las aguas lluvias generadas en la urbanización mediante la captación y tratamiento en el lugar de una proporción importante del volumen de escorrentía anual.

5.3.3 Destino de las Aguas

En el proyecto de un sistema de recolección de aguas lluvias urbanas en la Región Metropolitana debe quedar claramente establecido el destino final de las aguas recolectadas por la red. Se consideran aceptables las siguientes opciones:

• Para una red de colectores secundarios debe ser la red de colectores primarios definida en el Plan Maestro de aguas lluvias de la zona, o bien un colector secundario diseñado específicamente para recibir dicho aporte.

• No se permitirá el empleo de canales de riego como receptores de aguas lluvias de la red secundaria, a menos que expresamente estén considerados de esta forma en el Plan Maestro de aguas lluvias.

• Para descargas en sectores en los cuales no se haya habilitado un colector primario o secundario destinado a recibir dichos aportes, se procederá a desarrollar el proyecto suponiendo conexión futura (disposición de red de colectores secundarios), y a la espera de la conexión se implementará un sistema alternativo adecuado de infiltración.

5.3.4 Directrices Generales para una Correcta Solución

Al plantear las alternativas de solución a los problemas de aguas lluvias en la urbanización debe tenerse en cuenta los criterios generales de diseño propuestos en esta norma, tener especial atención con el destino que se le dará a los excesos de las aguas generadas y considerar las opciones técnicas de solución disponibles.

La selección de alternativas técnicas de solución debe ser el resultado de un trabajo conjunto entre el urbanizador, el proyectista del sistema de drenaje y los funcionarios locales responsables del sistema público (Municipalidades y SERVIU). Las soluciones de los problemas de aguas lluvias pueden facilitarse si al inicio del proyecto se planifica la red secundaria coordinadamente con otros elementos de la urbanización.

Para seleccionar las mejores alternativas técnicas en cada proyecto se recomienda un proceso por etapas, que aborde los siguientes aspectos:

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5.3.4.1 Disminuir la Escorrentía

El urbanizador debe planificar la urbanización de manera de minimizar la generación de escurrimiento de aguas lluvias, tener menores caudales máximos y menos volumen escurrido, lo que conduce a menos problemas de contaminación y menores costos de las obras de drenaje. Para ello se propone:

• Reducir las áreas impermeables. Disponer las calles y vías de tránsito de la menor superficie aceptable mediante un diseño creativo de la urbanización. Utilizar al máximo y donde sea posible, pavimentos permeables en veredas, estacionamientos, pasajes y sectores de poco tránsito.

• Drenar las áreas impermeables, techos y pavimentos, hacia zonas de pasto y vegetación en las cuales se favorezca la infiltración y la retención, evitando el desagüe rápido. Favorecer de esta forma la desconexión de las áreas impermeables, intercalando entre ellas elementos permeables.

• Favorecer el drenaje de techos y superficies impermeables de viviendas y recintos privados hacia elementos propios como pozos y zanjas de infiltración, jardines drenantes y similares, promoviendo la solución al interior de los recintos y evitando que agreguen caudal hacia aguas abajo al sistema público.

• En las zonas iniciales de la red de drenaje en vez de cunetas y conductos de rápido drenaje, utilizar zanjas con vegetación, así como depresiones en áreas verdes para favorecer la detención y la infiltración.

5.3.4.2 Favorecer la Retención

Buscar formas para proveer lugares de retención de las aguas lluvias antes que los excesos sean conducidos a la red de drenaje. Tratar de captar parte de cada lluvia, preferentemente la inicial, para favorecer el tratamiento de estas en el lugar mediante su retención, sedimentación y/o infiltración.

• Áreas verdes. Para ello disponer las áreas verdes del lugar en las zonas de aguas abajo, evitando las áreas verdes elevadas, y organizándolas de manera que puedan contribuir al drenaje, agrupándolas en áreas aprovechables e intercalándolas entre áreas impermeables, de manera que reciban las aguas lluvias por gravedad y entreguen los excesos, también gravitacionalmente hacia aguas abajo, pero sólo una vez que haya tenido la oportunidad de almacenarse e infiltrarse.

• Obras de almacenamiento. Proveer espacio adecuado para ubicar obras alternativas, como pavimentos porosos con detención, depresiones de las áreas verdes, estanques de retención, lagunas y otras obras de técnicas alternativas especialmente diseñadas para la urbanización.

5.3.4.3 Usar y Mantener la Red Natural de Drenaje

Disponer la red de drenaje de manera de aprovechar al máximo el sistema natural, incluidas pequeñas hondonadas de uso eventual, unificando las áreas verdes y no usando las zonas bajas para otros usos urbanos, evitando la ubicación de viviendas, calles y similares en terrenos que puedan inundarse. Promover el uso de colectores abiertos o cauces naturales.

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• Colectores superficiales. Aprovechar al máximo la posibilidad de usar colectores abiertos que funcionen como canales urbanos, protegidos de la erosión y con un diseño adecuado a las condiciones urbanas.

• Cauces naturales. Estabilizar y proteger contra la erosión los cauces naturales y pequeñas quebradas incorporándolas a las áreas verdes del lugar.

5.3.4.4 Colectores Subterráneos

Disponer de colectores subterráneos para conducir gravitacionalmente todo el escurrimiento que exceda la capacidad de las obras mencionadas en las tres etapas previas para las condiciones de diseño. Para esto las aguas lluvias pueden conducirse inicialmente por las cunetas y ser captadas mediante una cantidad suficiente de sumideros correctamente ubicados, hasta su descarga en la red principal.

5.4 CARACTERIZACIÓN HIDROLÓGICA DE DISEÑO 5.4.1 Propiedades de las tormentas

Una tormenta es un periodo de tiempo continuo con precipitación producido por una situación meteorológica favorable, que se puede representar por un conjunto de intervalos de lluvia. Las características principales de este episodio, o evento de precipitación, desde la perspectiva de usar la información para diseñar sistemas de drenaje urbano, son su duración, magnitud total, variación de la intensidad en el tiempo y variación de la lluvia en el espacio.

Duración

Una de las principales y más evidentes propiedades de las tormentas es la duración, entendiendo por ella al total de intervalos de lluvia. La importancia de la duración de la lluvia es evidente ya que la intensidad media de la tormenta decrece con la duración y el área aportante de la cuenca crece al aumentar la duración de la tormenta. Normalmente se mide en horas o minutos.

Magnitud

Corresponde al total de agua caída durante el temporal, o el volumen de precipitación acumulado al final de la tormenta. Medida en un pluviómetro corresponde a un valor puntual, pero sobre un área más extensa la magnitud de la tormenta se ve enormemente influenciado por la variación temporal y espacial que presenta la intensidad de la lluvia. Se mide en mm.

Intensidad

La magnitud dividida por la duración corresponde a la intensidad media de la tormenta, medida en mm/hora. Es difícil definir lo que se entiende por intensidad representativa, ya que se puede hablar de intensidades máximas, medias, u otros valores que la representen.

Hietograma

La distribución en el tiempo de la lluvia total caída durante un temporal es, sin lugar a dudas, un factor primordial en la determinación del escurrimiento de respuesta de la cuenca y, en

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consecuencia, debe ser considerado al caracterizar una tormenta. Un gráfico, o una tabla de datos que muestre la precipitación o la intensidad de la lluvia en cada intervalo en función del tiempo, se conoce como hietograma.

Variación Espacial

A nivel urbano, para cuencas pequeñas de áreas menores a una centena de hectáreas, se puede considerar una distribución espacial uniforme de la precipitación. Esto no elimina la necesidad de tener que estimar los valores de la precipitación en esa zona. Para el caso de cuencas de mayor tamaño es necesario establecer una distribución espacial en base a algún modelo.

Probabilidad de ocurrencia

La probabilidad de ocurrencia de una determinada tormenta está relacionada con la frecuencia con que se observa que ha ocurrido en un registro dado. Pero debido a que una tormenta presenta diferentes características, se trata de estimar la probabilidad de un fenómeno multivariado.

5.4.2 Relaciones intensidad, duración y frecuencia

Una manera de resumir y caracterizar el comportamiento de las precipitaciones es mediante las relaciones entre sus propiedades, en particular entre Duración, Intensidad y Frecuencia. Estas relaciones además son muy útiles para ser usadas en el diseño hidráulico de las obras de drenaje urbano. Estas relaciones presentan la variación de la intensidad de la lluvia de distintas duraciones, asociadas a diferentes probabilidades de ocurrencia y son útiles para estimar indirectamente el escurrimiento proveniente de cuencas pequeñas esencialmente impermeables, en función de la lluvia caída. Estas curvas tienen usualmente una forma de tipo exponencial, donde la intensidad, para una misma frecuencia, disminuye a medida que aumenta la duración de la precipitación. Es corriente incorporar en el mismo gráfico las curvas asociadas a diferentes frecuencias, en forma paramétrica, para obtener la familia de curvas de un lugar en un mismo gráfico.

En la Región Metropolitana se han efectuado varios estudios que permiten tener una buena estimación de estas relaciones. Para el diseño de la red secundaria se recomienda adoptar los valores propuestos en el Plan Maestro de Aguas Lluvias del Gran Santiago y la información sobre series anuales de precipitaciones máximas diarias de la DGA.

Elaboración de Curvas IDF de lluvias entre 1 y 24 horas con coeficientes de duración y frecuencia

La precipitación total de una lluvia de periodo de retorno T, en años, y duración total D, en horas o minutos, se estima como:

𝑃𝐷𝑇 = 𝐶 ⋅ 𝐶𝐹𝑇⋅ 𝐶𝐷𝐷⋅ 𝑃𝐷10

Ecuación 5.4.1

Precipitación total

𝐶 Es un coeficiente que transforma las precipitaciones diarias en máximas en 24 horas y que adopta un valor igual a 1,0 según el Plan Maestro de Santiago.

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𝐶𝐹𝑇 _{Es el coeficiente de frecuencia, que para la Región Metropolitana adopta los valores de la}

Tabla 5.4-1.

𝐶𝐷𝐷 Es un coeficiente de duración cuyos valores para la Región Metropolitana dependen

además del periodo de retorno para lluvias entre 1 hora y 24 horas, según Tabla 5.4-2. 𝑃𝐷10_{Es la precipitación diaria (en milímetros) de 10 años de período de retorno, que se utiliza}

como referencia. Este valor depende del lugar y se obtiene de mapas de isoyetas diarias en la Región Metropolitana publicadas por la DGA y cuyo mapa se reproduce en la Figura 5.4-1.

Tabla 5.4-1

Coeficiente de Frecuencia

Periodo de retorno (años) 2 5 10 20 50 100 200

CFT _{0,64 0,86 1,00 1,14 1,32 1,45 1,59}

Tabla 5.4-2

Coeficiente de Duración (mayor a una hora)

Duración (hr) 1 2 4 6 8 10 12 14 18 24 T=2 y 5 años CDD 0,19 0,30 0,47 0,60 0,70 0,77 0,82 0,86 0,92 1,00 T=10 ó más años CDD 0,17 0,26 0,41 0,53 0,63 0,71 0,77 0,82 0,90 1,00

Relaciones IDF para lluvias menores a 1 hora con coeficientes de duración y frecuencia Para lluvias menores de una hora se recomiendan los siguientes valores, en relación a la precipitación de 1 hora, para cualquier periodo de retorno.

𝑃𝐷𝑇 = 𝐶 ⋅ 𝐶𝐹𝑇⋅ 𝐶𝐷𝐷⋅ (𝐶𝐷1⋅ 𝑃𝐷10)

Ecuación 5.4.2

Precipitación de 1 hora

𝐶 Es un coeficiente que transforma las precipitaciones diarias en máximas en 24 horas y que adopta un valor igual a 1,0 según el Plan Maestro de Santiago

𝐶𝐹𝑇 _{Es el coeficiente de frecuencia, que para la Región Metropolitana adopta los valores de la}

Tabla 5.4-1

𝐶𝐷𝐷 Es un coeficiente de duración cuyos valores para la Región Metropolitana dependen

además del periodo de retorno para lluvias menores a 1 hora, según Tabla 5.4-3 𝐶𝐷1 0.19 o 0.17, según período de retorno, Tabla 5.4-2

𝑃𝐷10_{Es la precipitación diaria (en milímetros) de 10 años de período de retorno, que se utiliza}

como referencia. Este valor depende del lugar y se obtiene de mapas de isoyetas diarias en la Región Metropolitana publicadas por la DGA y cuyo mapa se reproduce en la Figura 5.4-1

Tabla 5.4-3

Coeficiente de duración (menor a una hora) Duración (minutos) 5 10 15 20 30 40 50 60

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Figura 5.4-1

Mapa de Isoyetas de lluvias de un día de duración y 10 años de período de retorno de la Región Metropolitana. Obtenido de la publicación de la DGA Precipitaciones Máximas de 1,2 y 3 días

Conocida la precipitación de una tormenta de duración D y período de retorno T, la intensidad media, I, se calcula como:

𝐼𝐷𝑇= 𝐼𝐷𝑇 𝐷 Ecuación 5.4.3 Intensidad media 5.4.3 Tormentas de diseño

Las características principales de una tormenta, desde la perspectiva de usar la información para diseñar sistemas de drenaje urbano, son su duración, magnitud total, intensidad máxima, variación de la intensidad en el tiempo y variación de la lluvia en el espacio. La magnitud total influye en el dimensionamiento de las obras de almacenamiento, mientras la intensidad máxima en las de transporte. Las propiedades en un punto se pueden describir con el comportamiento de la intensidad en función el tiempo, en lo que se llama un hietograma.

Se entiende por lluvia de diseño una tormenta de duración, magnitud e intensidad para cada intervalo predefinido, tales que las obras funcionan adecuadamente frente a una lluvia similar o menor, y pueden presentar fallas frente a eventos peores. Peores puede referirse en este caso a eventos más largos, más intensos o de mayor magnitud.

Las características principales que definen la tormenta de diseño son el periodo de retorno, la duración y la precipitación total. Otras características secundarias son la distribución temporal de precipitaciones para intervalos menores a la duración total y la distribución espacial en una zona de mayor tamaño. A continuación se describen y comentan los criterios para cuantificar estos parámetros.

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Período de Retorno

El período de retorno, o la probabilidad de ocurrencia de una lluvia, se selecciona de acuerdo al riesgo de falla que se está dispuesto a asumir para el sistema o elemento a dimensionar. En proyectos de drenaje urbano de aguas lluvias es habitual considerar dos tipos de tormentas, una de diseño, con la cual se dimensionan los elementos del sistema con períodos de retorno entre 2 y 10 años, dependiendo de los estándares de servicio, y otra de verificación con la cual se comprueba que para situaciones extremas no ocurran problemas graves aunque se aceptan fallas e inconvenientes, que corresponde a períodos de retorno entre 50 y 100 años. En todo caso para las obras y redes de drenaje urbano tanto el MOP como el MINVU proponen valores específicos de diseño y verificación para cada tipo de obra, de acuerdo a los estándares de servicio aceptables.

Duración

La duración total está relacionada con el tiempo de concentración de la cuenca aportante, de modo de seleccionar una duración que genere el máximo escurrimiento. Para el diseño de elementos de conducción la duración de la tormenta debe seleccionarse siempre mayor o igual al tiempo de concentración, recomendando una duración que no exceda al tiempo de concentración por más del doble. Para el dimensionamiento de obras de almacenamiento, como estanques o lagunas, deben considerarse duraciones largas, típicamente de 24 horas para elementos de la red secundaria. En el caso de sistemas de drenaje complejos, en los cuales se dimensionan elementos que drenan cuencas de diferentes tamaños, y por lo tanto de distintos tiempos de concentración, para cuyo diseño se debiera seleccionar tormentas de distintas duraciones, se recomienda utilizar tormentas de diseño compuestas que mantengan el periodo de retorno para diferentes duraciones, como son las tormentas de un día de duración, 24 horas, con intervalos de una hora, o incluso menores, en las cuales la precipitación de cada intervalo se obtiene de las curvas IDF y después se ordenan por el método del bloque alternado, las que en conjunto con modelos de lluvia escorrentía adecuados permiten diseñar simultáneamente los elementos de toda la red de drenaje, considerando los diferentes tamaños de las subcuencas aportantes.

Magnitud de la precipitación

La precipitación total de la tormenta es una característica climática del lugar que se puede obtener de las relaciones de Intensidad, Duración, Frecuencia, IDF. Seleccionados el período de retorno y la duración, de estas relaciones se obtiene la precipitación total de la tormenta.

Distribución Temporal

La distribución temporal de la precipitación durante una tormenta es de especial interés. Se deben adoptar distribuciones temporales de precipitación realistas y que maximicen el escurrimiento que genera la cuenca, lo que es recomendable para el análisis de sistemas de drenaje en etapas de planificación. Otra opción es emplear distribuciones teóricas de acuerdo a las curvas IDF de manera de mantener para cualquier duración el periodo de retorno. En este caso se pueden utilizar tormentas concentradas al inicio, al centro o al final. Una opción más compleja es la simulación continua con eventos reales observados.

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Hietograma de Diseño: El hietograma es el gráfico de la intensidad de la lluvia en función del tiempo, mientras que el pluviograma es la distribución en el tiempo de la precipitación acumulada. La distribución en el tiempo de la lluvia total caída durante un temporal es, sin lugar a dudas, un factor primordial en la determinación del escurrimiento de respuesta de la cuenca y, en consecuencia, debe ser considerado en la definición de una tormenta de diseño. La distribución temporal de la tormenta de diseño si bien tiene que ser realista y representar la forma de la lluvia en el lugar, debe también ser simple y con parámetros controlados, de manera que pueda usarse como elemento de juicio para analizar el comportamiento de las obras y poder dimensionarlas. Distribución Espacial

La distribución espacial de las precipitaciones para una misma tormenta es de interés cuando se analizan zonas extensas. Para el diseño de elementos de la red domiciliaria y secundaria se consideran tormentas espacialmente uniformes en una urbanización. Para la red primaria deben considerase la extensión de la cuenca aportante y la disponibilidad de información para adoptar una variación espacial.

5.4.4 Propiedades de las cuencas

El proceso de transformación de la lluvia en escurrimiento está influido por las características de las cuencas, en cuanto a la capacidad de ellas para retener y separar parte de las lluvias y permitir escurrir al resto. La parte de la precipitación que queda retenida y no escurre inmediatamente se conoce como abstracción, y la parte que escurre como lluvia efectiva. La relación entre la precipitación efectiva y la precipitación total se conoce como coeficiente de escorrentía de la cuenca. Por otra parte la velocidad con que el agua escurre sobre la cuenca y forma una crecida a la salida de ella depende de múltiples factores que se pueden resumir en el tiempo de concentración, o el tiempo de viaje que tarda la lluvia desde el punto más alejado hasta salir de la cuenca.

5.4.4.1 Tiempo de Concentración

El tiempo de concentración de una cuenca es el que debe transcurrir desde el inicio de una tormenta de intensidad uniforme para que toda la superficie de la cuenca aporte al escurrimiento a la salida. Puede estimarse como el tiempo que tarda en llegar a la salida de la cuenca una onda del flujo que parte desde el lugar hidráulicamente más alejado de la sección de salida.

El conocimiento del tiempo de concentración tiene interés práctico ya que al seleccionar tormentas de duraciones mayores al tiempo de concentración se asegura que la superficie aportante es la máxima. Por lo tanto, si se considera la intensidad máxima de la tormenta concentrada al inicio se asegura la obtención del caudal máximo a la salida, de manera que es relevante para dimensionar elementos de conducción o transporte. Sin embargo, no resulta tan relevante para el diseño de elementos de almacenamiento.

Para calcular el tiempo de concentración de una cuenca se puede recurrir a relaciones empíricas propuestas para cuencas similares, o a estimaciones basadas en la velocidad esperada de la onda una vez definido el recorrido del agua desde el punto más alejado hasta la salida. De todos modos el tiempo de concentración no podrá considerarse menor que 5 minutos para cuencas típicas de redes secundarias en urbanizaciones de la región Metropolitana.

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Desafortunadamente no se disponen de relaciones que hayan sido validadas para cuencas urbanas en Chile, por lo tanto se recomiendan los siguientes procedimientos entre los que el proyectista debe seleccionar el que considere más adecuado.

Recorrido de la Onda

Se puede analizar el tiempo de concentración según el camino que debe recorrer la onda desde la zona más alejada. Los primeros elementos pueden ser planos inclinados, como techos o patios. Después avanza por cauces abiertos como zanjas o cunetas, para terminar en elementos de drenaje como colectores, ya sean canales o tubos. Si se tiene N de estos elementos en serie a lo largo del recorrido, el tiempo de concentración se estima como:

𝑇𝐶= ∑ 𝑇𝐶𝑖 𝑁

𝑖

Ecuación 5.4.4

Tiempo de concentración

Donde 𝑇𝐶𝑖 en [min] es el tiempo de viaje en el elemento i, estimado a su vez como:

𝑇𝐶𝑖=

𝐿𝑖

60𝑉𝑖

Ecuación 5.4.5

Tiempo de viaje del elemento i

Siendo 𝐿𝑖 en [m] la longitud del flujo y 𝑉𝑖 en [m/s] la velocidad de la onda en ese elemento. Esta

velocidad se puede estimar según las siguientes relaciones: 𝑉 =ℎ

2 3_𝑆12

𝑛 + √𝑔ℎ

Ecuación 5.4.6

Elementos planos como patios

𝑉 =𝑅 2 3_𝑆12 𝑛 + √𝑔 𝐴 𝑏 Ecuación 5.4.7

Elementos de conducción como, como cauces

Cuencas Rurales o Previas a ser urbanizadas

Para cuencas rurales, o previas a ser urbanizadas, con un bajo porcentaje de superficies impermeables, se recomiendan las siguientes relaciones:

• Cuencas rurales relativamente planas con escurrimiento preferentemente superficial: 𝑇𝐶= 0,0195

𝐿0,77

𝑆0,385

Ecuación 5.4.8 • Cuencas rurales no planas con escurrimiento preferentemente concentrado:

(15)

15 C

A

P

Nº

5

𝑇𝐶 = 0,0203 ( 𝐿13 𝐻) 0,385 Ecuación 5.4.9 Ambas expresiones son básicamente la misma. En la superior se considera el largo del plano del flujo y su pendiente promedio, y en la segunda el largo del cauce principal y su desnivel.

Cuencas Urbanas

En cuencas ya urbanizadas, con porcentajes importantes de superficies impermeables y escurrimiento en planos:

• Cuencas urbanas relativamente planas, formadas por patios, estacionamientos, parques, techos, calles, etc.

𝑇𝐶 = 7

𝐿0,6_𝑛0,6

𝐼0,4_𝑆0,3

Ecuación 5.4.10 • Para cunetas, colectores y cauces en general relativamente anchos

𝑇𝐶 = 1 60( 𝐿1𝑛 ℎ2⁄3_𝑆1⁄2) Ecuación 5.4.11 En las relaciones expuestas el significado de los términos y las unidades son los siguientes: 𝑇𝐶 Tiempo de concentración, en minutos

𝐿 Longitud del escurrimiento superficial, en metros 𝐿1 Longitud del cauce, en metros

𝑆 Pendiente, en metros por metro 𝐻 Desnivel en la cuenca, en metros 𝐼 Intensidad de la lluvia, en [mm/hr]

ℎ Altura media del escurrimiento en planos o cauces, en metros 𝑉 Velocidad de propagación de la onda, en [m/s]

𝑅 Radio hidráulico del flujo, en metros

𝐴 Área del escurrimiento, en metros cuadrados 𝑏 Ancho superficial del escurrimiento, en metros

(16)

16 C

A

P

Nº

5

Tabla 5.4-4

Coeficiente rugosidad de Maning para superficies

Tipo de superficie Coeficiente n

Tubos de plástico 0,011

Tubos de cemento asbesto 0,012

Tubos de mortero comprimido 0,013

Calles de hormigón y asfalto 0,015

Techos 0,018

Jardines 0,025

Superficies de tierra 0,030

Superficies con vegetación 0,050

5.4.4.2 Abstracción y Lluvia Efectiva

Las pérdidas, ya sea por evaporación o por infiltración, dependen de factores propios de cada superficie, con lo cual exhiben una importante variación espacial, y además el fenómeno varía en el tiempo.

La evapotranspiración considera la extracción de agua por las plantas y la evaporación desde el suelo. Influye la radiación solar, la temperatura, la presión de vapor, la velocidad del viento, la presión atmosférica, los cuales son variables en el tiempo.

En el caso de la infiltración, ésta es mayor al principio de la tormenta y va disminuyendo en forma aproximadamente exponencial a medida que aumenta la humedad del suelo, que es el parámetro más influyente.

Modelo de infiltración de Horton

𝑓(𝑡) = 𝑓

_𝑐

+ (𝑓

_𝑜

− 𝑓

_𝑐

)𝑒

−𝛼𝑡

Ecuación 5.4.12

Tasa de infiltración en el tiempo

𝐹(𝑡) = 𝑓

_𝑐

∙ 𝑡 +

𝑓

𝑜

− 𝑓

𝑐

𝛼

∙ (1 − 𝑒

−𝛼∙𝑡

)

Infiltración acumulada en el tiempo

fo Tasa de infiltración al inicio o capacidad máxima de infiltración

fc Capacidad última de infiltración

α Tasa de decaimiento

Modelo de infiltración Green-Ampt

𝑓(𝑡) = 𝐾 ∙ (

𝜓 ⋅ 𝛥𝜃

𝐹

+ 1)

(17)

17 C

A

P

Nº

5 𝐹(𝑡) = 𝐾 ∙ 𝑡 + 𝜓 ∙ 𝛥𝜃 ∙ 𝑙𝑛⁡(1 +

𝐹

𝜓 ∙ 𝛥𝜃

)

Infiltración acumulada en el tiempo

K Conductividad hidráulica saturada ψ Potencial Capilar

5.4.4.3 Coeficiente de Escorrentía

El coeficiente de escorrentía indica la proporción de la lluvia total que participa directamente en el escurrimiento cuando la lluvia es de duración indefinida. El resto de la precipitación queda detenida en las depresiones, se infiltra o se evapora. Para estimar el coeficiente de escorrentía a emplear en se recomienda usar los valores propuestos en este manual.

La estimación del coeficiente de escorrentía para condiciones actuales y futuras es necesaria para la planificación y diseño de las obras que forman el sistema de drenaje.

El uso del coeficiente de escorrentía debe estar limitado a superficies moderadas homogéneas, especialmente en la red domiciliaria y en cuencas pequeñas de la red secundaria. No debe usarse para la estimación de caudales en la red primaria, ya que en esos casos el sistema opera en condiciones impermanentes, con gran influencia de las condiciones iniciales, las características de las lluvias, en cuanto a intensidad, duración y magnitud, así como las propiedades de las cuencas relacionadas con pendientes, depresiones, cauces, todas las cuales influyen demasiado en el resultado del caudal máximo.

Para estimar el coeficiente de escorrentía pueden emplearse los siguientes procedimientos: • Usar los valores propuestos para la zona en el Plan Maestro de aguas lluvias. Sin embargo

debe tenerse en cuenta que el Plan Maestro puede entregar valores promedio para zonas amplias que no necesariamente representen el caso en estudio.

(18)

18 C

A

P

Nº

5

Tabla 5.4-5

Coeficiente de escorrentía según tipo de zona Tipo de zona

Coeficiente Mínimo Medio Máximo Áreas Residenciales

Suburbios semiurbanos 0,25 0,32 0,40

Casas Aisladas 0,30 0,40 0,50

Condominios aislados 0,40 0,50 0,60

Condominios pareados o continuos 0,60 0,67 0,75

Departamentos en edificios asilados 0,50 0,60 0,70

Departamentos en edificios continuos 0,70 0,80 0,90

Áreas Comerciales

Comercio en alta densidad 0,70 0,82 0,95

Comercio en baja densidad 0,50 0,60 0,70

Áreas industriales

Grandes industrias 0,50 0,65 0,80

Pequeñas industrias 0,60 0,75 0,90

Parques, plazas y jardines 0,10 0,17 0,25

En estas zonas también es aceptable estimar un coeficiente ponderado de acuerdo a la composición de las superficies elementales como se indica en el párrafo siguiente.

Para zonas de nuevas urbanizaciones debe estimarse un coeficiente ponderado según las superficies de cada tipo de ocupación del suelo, estimando las áreas de cada uno de los tipos siguientes, con los coeficientes de escurrimiento que se indican:

(19)

19 C

A

P

Nº

5

Tabla 5.4-6

Coeficiente de escorrentía según tipo de superficie Tipo de superficie

Coeficiente Mínimo Medio Máximo Calles

Asfalto no poroso 0,70 0,82 0,95

Hormigón 0,80 0,87 0,95

Adoquín de cemento sobre arena 0,50 0,60 0,70

Maicillo, ladrillo 0,30 0,40 0,50

Techos

Zinc, latón, metálicos en general 0,85 0,90 0,95

Tejas, pizarras, cemento asbesto 0,70 0,80 0,90

Patios

Baldosas, hormigón 0,80 0,87 0,95

Tierra, sin cobertura 0,50 0,60 0,70

Parques, plazas y jardines

Prados, suelo arenoso 0,05 0,12 0,20

Prados, suelo arcilloso 0,15 0,25 0,35

Para zonas rurales previas a ser urbanizadas, según la siguiente tabla: Tabla 5.4-7

Tipo de superficie

Coeficiente Mínimo Medio Máximo Zonas agrícolas y de bosques o con vegetación natural

Agrícolas , cultivadas, pend. < 2% 0,10 0,12 0,15

Agrícolas , cultivadas, pend. 2% a 7% 0,15 0,17 0,20

Agrícolas , cultivadas, pend. > 7% 0,20 0,22 0,25

Sin cult., c/veget. Nat., pend. <2% 0,15 0,17 0,20

Sin cult., c/veget. Nat., pend. 2% a 7% 0,20 0,22 0,25

Sin cult., c/ veget. Nat., pend. >7%% 0,25 0,30 0,35

Semiurbano, parcelas no agrícolas

Sitios mayores de 5000[m2] 0,25 0,32 0,40

Sitios menores de 5000[m2] 0,30 0,40 0,50

En general se recomienda utilizar los valores medios de cada categoría, a menos que se justifique el empleo de los valores mínimos. Si se desea considerar condiciones de seguridad se pueden emplear los valores máximos indicados.

Los rangos de valores indicados en las tablas son para tormentas típicas con periodos de retorno de 2 a 10 años. Para tormentas mayores se recomienda usar el valor más alto dentro de cada rango, o incluso valores mayores si se estima conveniente.

(20)

20 C

A

P

Nº

5

5.4.4.4 Propiedades de los suelos

En el caso de soluciones que se basen en la capacidad de infiltración del suelo es conveniente disponer de medidas efectuadas en terreno. También es posible obtener antecedentes de obras realizadas en el sector, de pozos de extracción de agua subterránea o de estudios de tipo general efectuados en la zona. Como orientación general se pueden considerar los antecedentes hidrogeológicos que se indican en la siguiente tabla para diversas comunas de la Región Metropolitana.

Tabla 5.4-8

Comuna Litología Tipo de Suelo _{Napa Freática (m)}Profundidad _{Acuífero (*)}Tipo de

Colina, Lampa, Pudahuel, Quilicura Fina _{Pumicitas en Pudahuel}Arcilloso con limo. 20–50

< 2 SCF, L

Renca, Huechuraba, Conchalí, Recoleta,

Independencia Fina y media Arenoso con grava 20-50 L, LC

Santiago, Providencia, Las Condes, Vitacura,

Barnechea Gruesa Arenoso con grava

20-50

50-100 L

Cerro Navia, Quinta Normal, Lo Prado, Estación

Central Fina y media

Arenoso con grava.

Pumicitas en Lo Prado 20-50 LC, CF

Ñuñoa, La Reina, Peñalolén, Macul Fina Arenoso con grava 50-100 LC

San Joaquín, San Miguel, P.A. Cerda, Cerrillos Gruesa y fina Arenoso con grava 50-100 L, CF

Maipú, Peñaflor Gruesa y fina Arenosos con arcilla y _{limo en Maipú} 20-50 L, CF

Calera de Tango, San Bernardo, Lo Espejo, La

Cisterna Gruesa Arenoso con grava

50-100

> 100 L

San Ramón, La Pintana, La Granja, La Florida, Pte. Alto

Media y

gruesa Arenoso y grava. > 100 L

Pirque, Buin Gruesa Arenoso muy fino Sin Información L

5.4.5 Métodos

Existen varios procedimientos alternativos para llegar a definir un caudal de diseño para una obra de drenaje urbano, los cuales son más o menos pertinentes en distintas situaciones, dependiendo de la información hidrológica disponible y de las características de la cuenca. Todos ellos tienen un cierto grado de subjetividad y suponen distintas hipótesis.

5.4.5.1 Método Racional

Válido para cuencas inferiores a 50 Há., de características homogéneas, con superficie mayoritariamente impermeable sin obras de almacenamiento, con un tiempo de concentración menor a 1 hora. Podrá usarse este método para el dimensionamiento de elementos de conducción. Según este método el gasto aportante de una cuenca urbana se calcula como:

𝑄 = 𝐶𝑖𝐴 3600

(21)

21 C

A

P

Nº

5

𝑄 Caudal a la salida de la cuenca [lts/s] 𝑖 Intensidad de la lluvia [mm/hr] 𝐴 Área de la cuenca [m2_]

𝐶 Coeficiente de escurrimiento de la superficie

La intensidad de la lluvia de diseño corresponde a aquella con una duración igual al tiempo de concentración del área y con una frecuencia o período de retorno compatible con la importancia y trascendencia de la obra. Adoptada una frecuencia o período de retorno y seleccionada la duración de diseño, puede estimarse la intensidad de la lluvia recurriendo a la familia de curvas IDF representativas del lugar de interés.

A pesar de la aparente facilidad y simplicidad del método la determinación adecuada del coeficiente de escorrentía y de la intensidad de la lluvia de diseño, implica un cuidadoso y juicioso análisis en cada caso.

Este método supone que las propiedades de la cuenca y la intensidad de la lluvia se mantienen constantes a lo largo de la tormenta de diseño y por lo tanto entrega un caudal constante a la salida de la cuenca para la lluvia de diseño. Además, la elección de la intensidad en función del tiempo de concentración, el cual se obtiene mediante fórmulas empíricas extrapoladas a situaciones diferentes a las condiciones en que ellas se derivaron, puede originar errores.

Este método se utiliza por lo general en proyectos privados, ya que el área aportante abarcada es menor que en grandes y extensos proyectos públicos. En términos generales, para cuencas urbanas el método racional es válido para casi todos los casos y sólo en casos específicos o si Serviu así lo determina, se utilizarán otros métodos de cálculo más exactos.

5.4.5.2 Método Racional Modificado

Aplicable bajo las mismas condiciones que el Método Racional, exceptuando el hecho de que puede emplearse en cuencas que poseen elementos de regulación, como estanques o lagunas. Este método permite obtener el hidrograma de la crecida, por lo que puede ser usado para el dimensionamiento de obras de regulación y de conducción.

Caso 1 𝐃 = 𝐓𝐜

Si la duración de la tormenta es igual al tiempo de concentración, se genera un hidrograma de respuesta triangular, con un caudal máximo igual al valor entregado en la expresión del Método Racional, un tiempo de ascenso y de descenso igual al tiempo de concentración.

(22)

22 C

A

P

Nº

5

Figura 5.4-2

(23)

23 C

A

P

Nº

5

Caso 2 𝐃 < 𝐓𝐜

Para lluvias de duración inferior al tiempo de concentración se genera un hidrograma triangular con un tiempo de ascenso igual a la duración de la tormenta, un tiempo de descenso igual al tiempo de concentración de la cuenca y un caudal máximo menor al entregado por el Método Racional, dado por:

𝑄𝑚á𝑥=

𝐷 𝑇𝐶𝑄

Ecuación 5.4.17 Donde:

𝑄 Caudal entregado por el método racional 𝐷 Duración de la tormenta de diseño 𝑇𝐶 Tiempo de concentración de la cuenca

Figura 5.4-3

Hidrograma del Método Racional Modificado para tormentas de duración menor al tiempo de concentración

Caso 3 𝐃 > 𝐓𝐜

Para lluvias de duración superior al tiempo de concentración se genera un hidrograma trapecial con un caudal máximo igual al del Método Racional pero que permanece constante desde t = Tc hasta t=D, a partir del cual cae a cero en un intervalo Tc.

Figura 5.4-4

Hidrograma del Método Racional Modificado para tormentas de duración mayor al tiempo de concentración

En cualquier caso el caudal máximo en una tubería se produce temporalmente en el tiempo de concentración de la cuenca aportante respectiva. De este modo:

(24)

24 C

A

P

Nº

5

𝑄𝑚á𝑥= 𝐶 ∙ 𝑖 ∙ 𝐴 3600 = 𝐶 ∙ 𝐴 3600∙ [ 𝑃𝑇𝑇_𝐶 𝑇𝐶] Ecuación 5.4.18 Donde:

𝑃𝑇𝑇𝐶 Precipitación de diseño de período de retorno T y duración Tc [mm]

𝑇𝐶 Tiempo de concentración de la cuenca [hr] 5.4.5.3 Método del Soil Conservation Service (SCS)

Otro procedimiento recomendable para estimar los caudales máximos en cuencas urbanas, así como la forma del hidrograma correspondiente, es el desarrollado por el Soil Conservation Service de Estados Unidos (Soil Conservation Service, 1964), método conocido como procedimiento de la Curva Número. Esta metodología considera dos etapas o pasos: calcular el volumen escurrido o lluvia efectiva y estimar el caudal máximo de la crecida y la forma del hidrograma de la crecida.

Lluvia efectiva

El método establece que la relación entre la retención real 𝑃 − 𝐼𝑎− 𝑄, y la retención potencial

máxima 𝑆 es igual a la relación entre la escorrentía real 𝑄 y la escorrentía potencial máxima 𝑃 − 𝐼𝑎. 𝑃 − 𝐼𝑎− 𝑄 𝑆 = 𝑄 𝑃 − 𝐼𝑎 Ecuación 5.4.19 La experiencia práctica muestra que 𝐼𝑎= 0.2 ∙ 𝑆, entonces:

𝑄 =

(𝑃 − 0.2 ∙ 𝑆)

2

𝑝 + 0.8 ∙ 𝑆

Ecuación 5.4.20 El potencial máximo de retención de agua es función de la Curva Número es:

𝑆 =1000 𝐶𝑁 − 10

Ecuación 5.4.21 El factor CN o curva número depende del tipo de suelo, de la naturaleza y cobertura del suelo y las condiciones previas de humedad. Hay que considerar que una superficie absolutamente impermeable le corresponde un valor de CN=100.

(25)

25 C

A

P

Nº

5

Tabla 5.4-9

Curva Numero. US Soil Conservation Service, 1975

Cobertura de Superficie _%Imp _A _B _C _D

Desarrollado Permeable Prados y parques Pasto <50% 68 79 86 89 Pasto 50 a 75% 49 69 79 84 Pasto >75% 39 61 74 80 Impermeables Calles y caminos Pavimentados 98 98 98 98 Grava 76 85 89 91 Tierra 72 82 87 89 Distritos urbanos Comercial 85 89 92 94 95 Industrial 72 81 88 91 93 Residencial Sitios 500 m2 o menor 65 77 85 90 92 Sitios 1.000 m2 38 61 75 83 87 Sitios 2.000 m2 25 54 70 80 85 Sitios 5.000 m2 20 51 68 79 84 Sitios 10.000 m2 12 46 65 77 82 Areas en desarrollo 77 86 91 94

(*) A: Arenas y arenas limosas; B: Limos; C: Limos arcillosos con algo de arena; D: Arcillas y limos.

Caudal máximo y forma del hidrograma

Figura 5.4-5

(26)

26 C

A

P

Nº

5

𝑞𝑝= 2 ∙ 𝑄 𝑇𝑝+ 𝑇𝑟 Ecuación 5.4.22 qp Caudal máximo Q Lluvia efectiva (mm)

Tp Período de elevación o tiempo hasta el caudal máximo (hr). Tp= 0.67 ∙ Tc

Tr Tiempo de recesión (hr). Tr= 1.67 ∙ Tp 𝑞𝑝= 0.75 ∙ 𝑄 𝑇𝑝 Ecuación 5.4.23 5.4.5.4 Método Modelo SWMM

SWMM (Storm Water Management Model) es uno de los modelos computacionales más utilizados en el mundo para el análisis y diseño de drenaje urbano, diseñado por US Environmental Protection Agency, en Estados Unidos. SWMM utiliza el método del embalse no lineal para simular la transformación lluvia-escorrentía. Este método no sólo transforma la precipitación efectiva en escorrentía, sino que también la propaga hacia la salida de la cuenca. Según este método, la cuenca es representada como un plano rectangular caracterizado por su área, ancho, pendiente e impermeabilidad. En su formato tradicional, la simulación se realiza separadamente para las subáreas permeables e impermeables, para posteriormente adicionarse las contribuciones. Sin embargo, también es posible conectar las subáreas entre si antes de drenar hacia aguas abajo.

En cada una de las sub-áreas el método del embalse no lineal combina la ecuación de continuidad con la ecuación de Manning aplicada al plano, suponiéndose que la profundidad de flujo es mucho menor al ancho de escurrimiento.

La intensidad de lluvia efectiva es estimada mediante cualquiera de los tres métodos ampliamente utilizados para la representación de abstracciones: el método de Horton, el método de Green-Ampt, y el método de la Curva Número.

Un análisis de la escorrentía y caudales realizado mediante el modelo del programa SWMM es un análisis variable en el tiempo, a lo largo de la duración de la tormenta. Con este tipo de análisis se puede obtener resultados más cercanos a la realidad y no sobredimensionados, como los que podría entregar el Método Racional que considera una intensidad máxima de lluvia constante en un tiempo de concentración.

La modelización se lleva a cabo con la finalidad de convertir el escenario real en un escenario virtual en el cual por medio de las ecuaciones que rigen el comportamiento del mismo, se persigue conseguir el máximo realismo en su comportamiento.

La mayoría de los programas informáticos para cálculos hidrológicos e hidráulicos (entre ellos SWMM) tienen un número de opciones para cada elemento del proceso que comienza con la precipitación y termina con un hidrograma en algún momento en el sistema. El modelo en SWMM esta conceptualizado en cuatro grandes sistemas:

(27)

27 C

A

P

Nº

5

• El sistema atmosfera: el cual contiene los datos de precipitación y demás información climática

• El sistema superficie: el cual se representa por medio de subcuencas y conecta el sistema atmosfera con los demás

• El sistema transporte: el cual contiene los elementos de conducción de agua (tuberías, confluencias, embalses)

• El sistema subterráneo: que representa el movimiento de agua subterráneo por medio de acuíferos

Cada uno de estos sistemas tiene componentes que permiten incluir la información necesaria para los procesos dentro del modelo. El resultado final consiste en la obtención del hidrograma de caudales en los puntos donde interesa su conocimiento.

5.5 DISEÑO HIDRÁULICO DE OBRAS 5.5.1 Criterios generales de diseño

Al plantear las alternativas técnicas de solución a los problemas de aguas lluvias en la urbanización debe tenerse en cuenta los criterios generales de diseño propuestos en esta guía, tener especial atención con el destino que se le dará a los excesos de las aguas generadas y considerar las opciones técnicas de solución disponibles.

El proyectista debe considerar algunos criterios básicos que orientan las soluciones de drenaje de aguas lluvias de la zona a urbanizar. En la Región Metropolitana los proyectos deben satisfacer al menos los siguientes:

• Respetar el sistema general de drenaje y la capacidad de los colectores propuestos en el Plan Maestro de Aguas Lluvias

• Evitar la inundación de calles y bienes para períodos de retorno preestablecidos en las condiciones de diseño

• Evitar que para condiciones de lluvias importantes se genere riesgo para las personas o se produzcan daños a terceros, a la propiedad pública o privada, o pérdidas de bienes • Si se trata de una urbanización nueva de terrenos que no estaban urbanizados, la

urbanización no debe generar mayores caudales máximos que los que se producían antes de urbanizar para las lluvias de diseño

• El criterio anterior también podrá aplicarse a proyectos de remodelación de zonas urbanas extensas, o grandes proyectos industriales, comerciales o institucionales en zonas ya urbanizadas

• Respetar el sistema de drenaje natural de la zona, el trazado de las quebradas y cauces naturales que existan. En lo posible incorporarlo a las áreas verdes para ser utilizado como drenaje del lugar, minimizando los impactos de la urbanización sobre el sistema natural de la cuenca hacia aguas abajo

• Abordar la solución de los problemas de calidad de las aguas lluvias generadas en la urbanización mediante la captación y tratamiento en el lugar de una proporción importante del volumen de escorrentía anual

(28)

28 C

A

P

Nº

5

5.5.2 Obras complementarias

5.5.2.1 Desconexión de áreas impermeables

La desconexión de áreas impermeables es un esquema general para abordar el problema basado en evitar que las aguas lluvias escurran rápido. Por el contrario, se trata de favorecer la retención, privilegiar los caminos lentos y largos del flujo, y dar oportunidades para la infiltración. Las obras de desconexión de áreas impermeables son obras de menor tamaño y costos reducidos, cuyo objetivo es disminuir el caudal máximo hacia aguas abajo. Su uso provoca la reducción del área impermeable que efectivamente aporta al escurrimiento. La mayoría de estas obras no significan costos adicionales para la urbanización, ya que forman de por sí parte de ella. La idea es que su diseño y ubicación favorezcan la solución de los problemas de aguas lluvias. Se trata de intercalar zonas permeables entre zonas impermeables para recoger el flujo proveniente de ellas, y drenar hacía aguas abajo un flujo amortiguado. El diseño y construcción de estas obras se basa en aprovechar los espacios disponibles y controlar la dirección del escurrimiento desde aguas arriba. En general reciben el caudal de zonas aportantes pequeñas, como casas, pasajes, condominios, edificios, centros comerciales, calles y estacionamientos.

Entre las obras de desconexión principales se encuentran las Zanjas, las Franjas de Pasto y los Pavimentos Permeables.

Zanja de Pasto

Vía de drenaje cubierta de pasto, de sección trapecial y taludes tendidos. Se diseñan para que el flujo escurra con poca velocidad favoreciendo la retención y la infiltración del agua.

Franja de Pasto

Superficie uniformemente cubierta con pasto y vegetación densa y resistente. El flujo es transversal a ella, provocando infiltración y retención temporal. Adecuada para franjas entre la vereda y la calle, o entre la línea de edificación y la acera.

Pavimentos Permeables

Pavimentos de alta porosidad o bloques prefabricados con espacio en la superficie que permite la infiltración.

(29)

29 C

A

P

Nº

5

Zanjas de pasto Figura 5.5-2 Franjas de pasto Figura 5.5-3 Pavimentos permeables 5.5.2.2 Obras de infiltración

Las obras de infiltración captan el flujo superficial y facilitan su infiltración en el suelo. Pueden tener una capacidad de almacenamiento no despreciable, con lo que además de reducir el escurrimiento total, también contribuyen a la disminución del caudal máximo.

Entre las obras de infiltración se encuentran los Estanques de Infiltración, Zanjas de Infiltración y Pozos de Infiltración.

Estanques de Infiltración

Estanque de poca profundidad, ubicado en suelos permeables, que aprovechan la existencia de depresiones naturales en áreas abiertas. Almacenan temporalmente el agua y la infiltran en un tiempo relativamente corto, ya que operan con alturas de agua pequeñas, del orden de pocos centímetros. Entre lluvias, estos son áreas verdes que permiten otros usos públicos.

Zanjas de Infiltración

Obras de infiltración longitudinales con profundidades recomendables entre 1 y 3 metros. Reciben el escurrimiento ya sea desde la superficie o mediante tuberías perforadas que pueden entrar desde sus extremos. De esta última forma pueden ser tapadas, permitiendo otro uso de la superficie como veredas o calles.

(30)

30 C

A

P

Nº

5

Pozos de Infiltración

Excavación puntual de profundidad variable donde se infiltra el agua proveniente de la superficie. Pueden usarse en serie con obras de almacenamiento aguas arriba, como estanques. Además, se pueden utilizar en suelos en que los estratos superficiales no son permeables pero el estrato infiltrante es de textura gruesa. También pueden proyectarse pozos de infiltración semiprofundos, hasta 20 [m], o pozos profundos hasta 40 o 60m. En todo caso debe cuidarse que este tipo de pozos no descarguen directamente a la napa, para lo cual debe existir entre el fondo del pozo y el nivel máximo del agua subterránea una diferencia libre significativa.

Figura 5.5-4

Estanque de infiltración

Figura 5.5-5

Zanja de infiltración en construcción

Figura 5.5-6

(31)

31 C

A

P

Nº

5

5.5.2.3 Obras de almacenamiento

Las obras de almacenamiento se usan para disminuir el caudal máximo hacia aguas abajo por medio de la retención temporal y el almacenamiento controlado en zonas especialmente dispuestas y diseñadas para esto. Estas drenan hacia el sistema de drenaje de aguas abajo o hacia algún elemento de infiltración, como pozos o zanjas. Algunas obras de almacenamiento son Estanques y Lagunas.

Lagunas

Se usan en lugares en que la napa de agua subterránea está alta, o en zonas donde es posible contar con agua para satisfacer un volumen mínimo permanente que posee la laguna durante todo el año.

Estanques

Volumen de almacenamiento disponible que normalmente se encuentra vacío permitiendo su uso para otras actividades, y que durante las tormentas se llena y vacía en pocas horas.

También pueden utilizarse pavimentos permeables con detención subterránea, es decir con capacidad de almacenar agua en la subbase bajo el pavimento.

Figura 5.5-7

Laguna

Figura 5.5-8